EP4399385B1 - Solid lubricant for zn-ni coating on a threaded tubular element - Google Patents
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Definitions
- the term “component” means any element, accessory or conduit used to drill or operate a well and comprising at least one connection or connector or a threaded end, and intended to be assembled by a thread to another component to form with this other component a threaded joint.
- the component may be, for example, a tube or a tubular threaded element of relatively great length (in particular around ten meters in length), for example a tube, or a tubular sleeve of a few tens of centimeters in length, or an accessory of these tubular elements (suspension device or "hanger”, section change part or "cross-over”, safety valve, connector for drill rod or "tool joint", “sub”, and the like).
- This corrosion or delamination is undesirable because it can involve both a risk of weakening the connection and a loss of sealing by creating a leak path linked to the corrosion of the steel substrate of the tubular threaded element.
- a leak can cause considerable economic or even environmental consequences, for example when a leak occurs in a hydrocarbon well during its exploitation.
- oxalic acid is less restrictive with regard to current regulations and is not a CMR classified product, i.e. it is not carcinogenic, mutagenic or reprotoxic.
- the tubular threaded element has a second oxalation-type conversion layer which may comprise nickel oxalate and/or zinc oxalate.
- the layer weight of the second layer may be between 0.1g/m 2 and 20g/m 2 .
- the thickness of the second layer may be between 0.5 ⁇ m and 30 ⁇ m.
- the thickness of the second layer may be between 1 ⁇ m and 20 ⁇ m.
- the coating is produced without visible alteration of the Zinc-nickel layer.
- Each of the male (3) and female (4) threaded ends are constituted by a metal substrate (20) and a multi-layer coating (10) on this metal substrate (20).
- the multi-layer coating (10) may be on either of the male (3) and female (4) threaded ends or on both at the same time.
- said multi-layer coating (10) may be on a male (6) or female (7) abutment surface, on a male (8) or female (9) sealing surface, or on a male (14) or female (15) threaded portion, on several of these surfaces or all of these surfaces.
- the multi-layer coating (10) is on the male threaded end (3).
- FIG. 2 shows a longitudinal sectional view of a multilayer coating (10) on the metal substrate (20) of a male threaded end (3).
- said coating (10) can just as easily be on the metal substrate of a female threaded end.
- all of the developments concerning the multilayer coating (10) on the male threaded end (3) apply analogously to a multilayer coating (10) on the female threaded end.
- the figure shows the multi-layer coating (10) comprising a first layer (11) of a solid coating comprising Zinc-Nickel electrodeposited on the surface of the male threaded end (3), i.e. on the metal substrate (20) which constitutes said male threaded end (3).
- Said multilayer coating (10) comprises a second oxalation-type conversion layer (12) above the first layer (11).
- the second conversion layer (12) of the oxalation type may comprise nickel oxalate and/or zinc oxalate (not visible in the figure). These two elements may come from the oxalation layer, by reaction between the oxalic acid and the Zinc-nickel layer.
- a third lubricating layer (13) comprising a polyurethane or epoxy matrix loaded with lubricating solid particles is deposited above the second layer (12).
- the lubricating solid particles are selected, in a non-limiting manner, from PTFE, talc, chromium oxide, alumina.
- the first layer (11) of solid deposit comprising zinc-nickel provides improved lubricating properties, the effects of which are protected from delamination, lineage and seizure.
- the second oxalation layer acts on the first layer as a solid lubricant.
- the latter makes it possible to give the first layer of solid deposit (11) comprising Zn-Ni a much more stable and durable coefficient of friction. Said coefficient of friction being less than 0.2. Indeed, beyond 0.2 there is a risk of seizure.
- the second oxalation layer (12) also makes it possible to provide a chemical or mechanical insulating barrier effect for the sub-layer or first layer (11) of solid deposit comprising Zn-Ni.
- the second oxalation layer (12) amplifies the effects provided by the third layer (13). The latter provides an additional lubrication effect in synergy with the lubricating effect provided by the second layer (12), thus increasing the screwing capacities of a connection (see fig 3 ).
- oxalic acid is less restrictive with regard to current regulations and is not classified as CMR, i.e. it is not carcinogenic, mutagenic or reprotoxic.
- the coating (10) is crushed under the action of screwing the threaded ends, the functional surfaces of the ends come into contact with very high contact pressures.
- the second layer (12) will be crushed first, undergoing the effects of stresses and pressures before the first solid layer (11), which preserves said first layer (11) and improves the overall endurance of the coating (10).
- the addition of a nickel oxalate makes it possible to improve the anti-corrosion resistance of the conversion layer.
- FIG. 3 shows, in a comparative manner, the evolution of the screwing torque at each end of screwing for different types of coatings on tubular threaded elements, either according to the state of the art with a passivation type layer, or according to the invention with an oxalation type layer.
- the end of screwing is understood to mean the moment when the two stops of a male tubular threaded element and a female tubular threaded element are in contact during a screwing/unscrewing cycle (M&B).
- results of the comparative analysis are not limited and remain valid for any type of tubes in the field of oil and gas, energy or storage, for use such as well operation or transport of hydrocarbons, transport or storage of hydrogen, geothermal energy or carbon capture.
- Curves 1, 2 and 3 correspond to threaded ends coated with a coating comprising a second passivation-type layer.
- the coating is located on the entire threaded end, namely the thread or a threaded portion, the abutment surface and the sealing surface. There are 3 curves because they correspond to the number of tests carried out with the same coating.
- Curves 4 and 5 correspond to threaded ends with a multilayer coating according to the invention comprising a second oxalation-type layer.
- Each tested sample has a coating that identically comprises at least a first layer of Zn-Ni and a layer of lubricant, the variable between the samples is the presence and/or nature of the second layer.
- the value of the coefficient of friction depends on the composition and structure of the surface, its roughness and its mechanical properties such as plasticity, ductility and surface resistance to shear stresses. In the case of a coating on a connection, the value of a coefficient of friction must be less than 0.2. Indeed, beyond 0.2 there is a risk of seizure.
- a commercially available Bowden friction tester (Shinko Engineering Co., Ltd.) was used.
- Bowden friction tester a ball made of steel (100CR6) was moved back and forth in a straight line on a coating formed on a steel sheet while a load was applied to the ball. The coefficient of friction was measured from the friction force and the pressure load at that time.
- a commercially available steel ball made of steel (100CR6) with an outer diameter of 10 mm (Amatsuji Steel Ball Manufacturing Co., Ltd.) previously degreased is used as the steel ball in the Bowden friction test.
- the steel ball is applied to the evaluated coatings and moved with a pressing load of 300 N.
- the coating with passivation provides significantly better lubrication than a non-converted layer and achieves the critical 0.2 coefficient of friction at about 200 steps.
- the oxalation coating provides superior lubrication to the two previous types of coatings, reaching the critical threshold of 0.2 of friction coefficient between 400 and 600 steps depending on the value of the layer weight. Oxalation therefore allows the solid deposit layer comprising Zn-Ni to have a much more stable and durable friction coefficient.
- the applicant determined that the oxalate layer precisely enhances the plastic deformation of ZnNi on its surface even under high contact pressure improving atomic dislocation, grain rotation and system stability before the flaking of large blocks and the appearance of large-scale defects.
- the layer weight of the second layer (12) is between 0.1g/m 2 and 20g/m 2 .
- the layer weight of the second layer (12) is between 0.5g/m 2 and 10g/m 2 .
- the applicant has also determined that the thickness of the second oxalation layer has an insulating barrier type effect for the first solid Zinc-Nickel layer.
- the porosity of the second layer is understood to mean empty spaces between the base of the crystals, the latter being able to cover said porosity at the level of their height.
- the porosity makes it possible to improve the retention of the upper layer of the multi-layer coating thanks to a phenomenon of mechanical anchoring of the upper layer in the empty spaces of the oxalation layer.
- MEB Sccanning Electron Microscope
- a microcracked polyhedron is a 3-dimensional geometric shape with polygonal plane faces that are grouped into segments called edges. The number of faces and edges is random, and the edge length can range from 0.5 ⁇ m to 30 ⁇ m.
- the layer may have randomly distributed microcracks.
- the crack width can range from 0.05 ⁇ m to 1 ⁇ m wide. Thanks to this characteristic, a microcracked polyhedron type texture provides retention and adhesion capacity to the oxalation layer for the upper layer.
- the second layer (12) can be produced with an accelerator which has the effect of accentuating the homogenization of the oxalation, and thus obtaining a finer and denser layer.
- FIG. 9 describes an image taken by SEM (Scanning Electron Microscope) observation according to a height view of the surface of an oxalation type conversion layer according to the invention at x20000 magnification.
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Description
L'invention concerne les composants ou conduits en acier avec revêtements dans le domaine du pétrole et gaz, de l'énergie ou le stockage, pour une utilisation tel que l'exploitation de puits ou le transport d'hydrocarbures, le transport ou le stockage d'hydrogène, la géothermie ou la capture de carbone.The invention relates to coated steel components or conduits in the oil and gas, energy or storage field, for use such as well operation or hydrocarbon transport, hydrogen transport or storage, geothermal energy or carbon capture.
On entend ici par "composant" tout élément, accessoire ou conduit, utilisé pour forer ou exploiter un puits et comprenant au moins une connexion ou connecteur ou encore une extrémité filetée, et destiné à être assemblé par un filetage à un autre composant pour constituer avec cet autre composant un joint fileté. Le composant peut être par exemple un tube ou un élément fileté tubulaire de relativement grande longueur (notamment d'environ une dizaine de mètres de longueur), par exemple un tube, ou bien un manchon tubulaire de quelques dizaines de centimètres de longueur, ou encore un accessoire de ces éléments tubulaires (dispositif de suspension ou « hanger », pièce de changement de section ou « cross-over », vanne de sécurité, connecteur pour tige de forage ou « tool joint », « sub », et analogues).Here, the term "component" means any element, accessory or conduit used to drill or operate a well and comprising at least one connection or connector or a threaded end, and intended to be assembled by a thread to another component to form with this other component a threaded joint. The component may be, for example, a tube or a tubular threaded element of relatively great length (in particular around ten meters in length), for example a tube, or a tubular sleeve of a few tens of centimeters in length, or an accessory of these tubular elements (suspension device or "hanger", section change part or "cross-over", safety valve, connector for drill rod or "tool joint", "sub", and the like).
Les composants ou éléments filetés tubulaires sont dotés d'extrémités filetées. Ces extrémités filetées sont complémentaires permettant le raccordement de deux éléments filetés tubulaires mâle (« Pin ») et femelle (« Box ») entre eux. Il y a donc une extrémité filetée mâle et une extrémité filetée femelle. Les extrémités filetées dites premium ou semi-premium comportent généralement au moins une surface de butée. Une première butée peut être formée par deux surfaces de deux extrémités filetées, orientées de façon sensiblement radiale, configurées de façon à être en contact l'une avec l'autre à l'issue du vissage des extrémités filetées entre elles ou lors de sollicitations de compression. Les butées ont généralement des angles négatifs par rapport à l'axe principal des connexions. On connaît également des butées intermédiaires sur des joints comportant au moins deux étages de filetage. Une portion filetée, une surface de butée ainsi qu'une surface d'étanchéité peuvent former un ensemble que l'on appelle une extrémité filetée. Il peut exister une extrémité filetée avec un filetage orienté vers l'extérieur du tube, c'est à dire une extrémité filetée mâle, et une extrémité filetée avec un filetage orienté vers l'intérieur du tube, c'est-à-dire une extrémité filetée femelle. Les éléments filetés tubulaires, de type cuvelage et complétion sont en acier et peuvent être fabriqués, sans limitation, conformément aux normes API spécification 5CT ou 5CRA pour les cuvelages et tubes standard. Par exemple, l'acier peut être l'un des grades L80, P110 ou Q125.Tubular threaded components or elements have threaded ends. These threaded ends are complementary, allowing the connection of two male ("Pin") and female ("Box") tubular threaded elements to each other. There is therefore a male threaded end and a female threaded end. So-called premium or semi-premium threaded ends generally have at least one stop surface. A first stop can be formed by two surfaces of two threaded ends, oriented substantially radially, configured so as to be in contact with each other after the threaded ends have been screwed together or during compressive stresses. The stops generally have negative angles relative to the main axis of the connections. Also known are intermediate stops on joints having at least two thread levels. A threaded portion, a stop surface and a sealing surface may form a unit called a threaded end. There may be a threaded end with a thread facing the outside of the tube, i.e. a male threaded end, and a threaded end with a thread facing the inside of the tube, i.e. a female threaded end. Tubular threaded elements, such as casing and completion, are made of steel and may be manufactured, without limitation, in accordance with API specification 5CT or 5CRA for standard casing and tubing. For example, the steel may be one of the grades L80, P110 or Q125.
Les conditions d'utilisation de ces éléments filetés tubulaires engendrent différents types de charges. Lesdites charges ont été partiellement réduite, entre autres, en utilisant des films ou des graisses sur les parties sensibles de ces composants telles que les zones filetées, les zones de butée ou encore les surfaces d'étanchéité métal/métal. Les contraintes induites comprennent notamment les contraintes dues au maintien en stockage, nécessitant l'application de graisses de stockage (différentes des graisses d'appoint appliquées avant la mise en service). Cependant, d'autres solutions existent, consistant à utiliser des revêtements organiques. Ainsi, les opérations de vissages sont généralement réalisées sous une charge axiale élevée, par exemple à cause du poids d'un tube de plusieurs mètres de long à raccorder via l'extrémité filetée, éventuellement aggravé par un léger désalignement de l'axe des éléments filetés à raccorder. Ceci induit des risques de grippage dans les zones filetées et/ou dans les surfaces d'étanchéité métal/métal. Ainsi, les zones filetées ainsi que les surfaces d'étanchéité métal/métal sont couramment enduites de lubrifiants.The operating conditions of these threaded tubular elements generate different types of loads. These loads have been partially reduced, among other things, by using films or greases on the sensitive parts of these components such as the threaded areas, the abutment areas or the metal/metal sealing surfaces. The stresses induced include in particular the stresses due to storage maintenance, requiring the application of storage greases (different from the top-up greases applied before commissioning). However, other solutions exist, consisting of using organic coatings. Thus, screwing operations are generally carried out under a high axial load, for example due to the weight of a tube several meters long to be connected via the threaded end, possibly aggravated by a slight misalignment of the axis of the threaded elements to be connected. This induces risks of seizure in the threaded areas and/or in the metal/metal sealing surfaces. Thus, the threaded areas as well as the metal/metal sealing surfaces are commonly coated with lubricants.
De plus, les éléments filetés tubulaires sont souvent stockées puis utilisées dans un environnement agressif. C'est le cas, par exemple, en situation « offshore » en présence d'un brouillard salin, ou en situation « onshore » en présence de sable, poussières et/ou autres polluants. Ainsi, il est nécessaire d'employer différents types de revêtements anti-corrosion sur les surfaces qui sont chargées lors du vissage, ce qui est le cas des zones filetées ou encore des zones en contact de serrage, mais également le cas des surfaces d'étanchéité métal/métal, de la portée et des butées.In addition, threaded tubular elements are often stored and then used in an aggressive environment. This is the case, for example, in an offshore situation in the presence of salt spray, or in an onshore situation in the presence of sand, dust and/or other pollutants. Therefore, it is necessary to use different types of anti-corrosion coatings on the surfaces that are loaded during screwing, which is the case for the threaded areas or even the areas in tightening contact, but also the case for the metal/metal sealing surfaces, the bearing surface and the stops.
Cependant, eu égard aux normes environnementales, il apparaît que l'utilisation de graisses conformes à la norme API RP 5A3 (American Petroleum Institute) ne constitue pas une solution à long terme, car de telles graisses sont amenées à être extrudées des composants tubulaires et rejetées dans l'environnement ou dans le puits, provoquant des blocages qui nécessitent des opérations de nettoyage particulières.However, in view of environmental standards, it appears that the use of greases conforming to API RP 5A3 (American Petroleum Institute) does not constitute a long-term solution, since such greases are likely to be extruded from tubular components and released into the environment or into the wells, causing blockages that require special cleaning operations.
Une alternative aux graisses consiste à utiliser une première couche ou un dépôt sec et/ou solides. Ces dépôts métalliques qui peuvent être appliqué chimiquement ou électrochimiquement. En fonction de la nature du dépôt, celle-ci peut apporter une propriété anticorrosive et lubrifiante pour empêcher le grippage des connexions filetées tubulaires lors du vissage, et ce de manière plus durablement qu'une graisse appliquée et moins polluante du fait d'une meilleure solidité. Cependant il a été mis en évidence que ces dépôts peuvent être sujet eux-mêmes sujet à la corrosion, et donc éventuellement à de la délamination, dans un environnement agressif, par exemple en milieu humide, par vieillissement dudit dépôt, lors de sur-sollicitations de la connexion, lors de son exploitation dans un puit, ainsi que lors d'opérations de vissages et de dévissages répétées. Cette corrosion ou cette délamination est non souhaitée car peut impliquer à la fois un risque de fragilisation de la connexion ainsi qu'une perte d'étanchéité par la création d'un chemin de fuite lié à la corrosion du substrat en acier de l'élément fileté tubulaire. Une fuite peut provoquer des conséquences économiques, voire environnementales considérables, par exemple lorsqu'une fuite se produit dans un puits d'hydrocarbure lors de son exploitation.An alternative to greases is to use a first layer or a dry and/or solid deposit. These metallic deposits can be applied chemically or electrochemically. Depending on the nature of the deposit, it can provide an anti-corrosive and lubricating property to prevent the tubular threaded connections from seizing during screwing, and this in a more durable manner than an applied grease and less polluting due to better solidity. However, it has been shown that these deposits can themselves be subject to corrosion, and therefore possibly to delamination, in an aggressive environment, for example in a humid environment, by aging of said deposit, during over-stressing of the connection, during its operation in a well, as well as during repeated screwing and unscrewing operations. This corrosion or delamination is undesirable because it can involve both a risk of weakening the connection and a loss of sealing by creating a leak path linked to the corrosion of the steel substrate of the tubular threaded element. A leak can cause considerable economic or even environmental consequences, for example when a leak occurs in a hydrocarbon well during its exploitation.
Une solution de l'état de l'art divulguée par
L'état de l'art
L'état de l'art
On entend par lignage une rainure ou un griffage.A line is a groove or scratch.
De manière générale, le dépôt d'une couche de conversion est réalisé par insertion de la surface d'intérêt dans un bain chimique pour lequel on contrôle les paramètres tel que la durée du dépôt, la composition et la température de la solution chimique.Generally, the deposition of a conversion layer is carried out by inserting the surface of interest into a chemical bath for which the parameters are controlled. such as the duration of deposition, the composition and temperature of the chemical solution.
L'invention permet de résoudre l'ensemble des problèmes précédemment cités. En particulier, l'invention propose d'améliorer et stabiliser la sous-couche ou dépôt solide, tout en présentant un traitement de conversion compatible avec les équipements actuels, une chimie ainsi qu'une gestion des bains facilement contrôlable.The invention makes it possible to solve all of the problems mentioned above. In particular, the invention proposes to improve and stabilize the underlayer or deposit solid, while presenting a conversion treatment compatible with current equipment, a chemistry as well as easily controllable bath management.
Selon un mode de réalisation, l'invention fournit un élément fileté tubulaire pour le forage, l'exploitation des puits hydrocarbures, le transport de pétrole et de gaz, le transport ou le stockage d'hydrogène, la captation carbone ou la géothermie, comprenant un corps métallique et comprenant un corps métallique et au moins une extrémité filetée comprenant au moins une portion filetée, ladite extrémité filetée comprenant un revêtement multicouche sur au moins une portion de la surface de l'extrémité filetée caractérisé en ce que ledit revêtement multicouche comprend une première couche comprenant un revêtement solide comprenant du Zinc-Nickel électrodéposé sur ladite au moins une portion de la surface de l'extrémité filetée, une seconde couche de conversion de type oxalatation au-dessus de la première couche, une troisième couche comprenant une matrice polyuréthane ou époxy chargée en particules solides lubrifiantes au-dessus de la seconde couche.According to one embodiment, the invention provides a tubular threaded element for drilling, exploitation of hydrocarbon wells, transport of oil and gas, transport or storage of hydrogen, carbon capture or geothermal energy, comprising a metallic body and comprising a metallic body and at least one threaded end comprising at least one threaded portion, said threaded end comprising a multi-layer coating on at least a portion of the surface of the threaded end characterized in that said multi-layer coating comprises a first layer comprising a solid coating comprising Zinc-Nickel electrodeposited on said at least a portion of the surface of the threaded end, a second oxalation type conversion layer above the first layer, a third layer comprising a polyurethane or epoxy matrix loaded with lubricating solid particles above the second layer.
Grâce à cette caractéristique, la première couche de dépôt solide comprenant du zinc-nickel confère des propriétés lubrifiantes améliorées, dont les effets sont préservés de la délamination, du lignage et du grippage. En effet, la seconde couche d'oxalatation agit sur la première couche comme un lubrifiant solide. Cette dernière permet de conférer à la couche de dépôt solide comprenant du Zn-Ni d'avoir un coefficient de friction beaucoup plus stable et durable. Ledit coefficient de friction obtenu pouvant être inférieur à 0.2. En effet, au-delà de 0.2 la demanderesse a constaté qu'il peut y avoir un risque de grippage. La seconde couche d'oxalatation permet également de conférer un effet de barrière isolante chimiquement ou mécaniquement pour la sous-couche ou première couche de dépôt solide comprenant du Zn-Ni. La seconde couche d'oxalatation amplifie les effets de la troisième couche lubrifiante. Cette dernière conférant un effet supplémentaire de lubrification augmentant ainsi les capacités de vissage d'une connexion.Thanks to this characteristic, the first layer of solid deposit comprising zinc-nickel provides improved lubricating properties, the effects of which are protected from delamination, lineage and seizure. Indeed, the second oxalation layer acts on the first layer as a solid lubricant. The latter makes it possible to give the layer of solid deposit comprising Zn-Ni a much more stable and durable coefficient of friction. Said coefficient of friction obtained may be less than 0.2. Indeed, beyond 0.2 the applicant has noted that there may be a risk of seizure. The second oxalation layer also makes it possible to provide a chemically or mechanically insulating barrier effect for the sub-layer or first layer of solid deposit comprising Zn-Ni. The second oxalation layer amplifies the effects of the third lubricating layer. The latter provides an additional lubrication effect, thus increasing the screwing capabilities of a connection.
De manière surprenante, la couche de conversion lorsqu'elle est de type oxalatation présente un aspect homogène sur la circonférence de la connexion, indépendamment des flux et des températures dans le bain. Ce qui permet d'identifier beaucoup plus facilement un problème de recouvrement. Par ailleurs la couche d'oxalatation permet une meilleure adhésion de l'ensemble du revêtement en condition humide et après vieillissement, soit une meilleure conservation des performances même après un long stockage.Surprisingly, the conversion layer, when it is of the oxalation type, has a homogeneous appearance around the circumference of the connection, regardless of the flows and temperatures in the bath. This makes it much easier to identify a coating problem. In addition, the oxalation layer allows for better adhesion of the entire coating in wet conditions and after aging, i.e. better performance retention even after long storage.
Par ailleurs, l'utilisation d'acide oxalique est moins contraignante au regard de la réglementation en vigueur et n'est pas un produit classé CMR, c'est-à-dire n'est pas cancérogène, mutagène ou reprotoxique.Furthermore, the use of oxalic acid is less restrictive with regard to current regulations and is not a CMR classified product, i.e. it is not carcinogenic, mutagenic or reprotoxic.
On entend par problème de recouvrement, un défaut de couverture de la sous-couche ou de la première couche de dépôt, c'est-à-dire des zones de la première couche non couverte par la couche d'oxalatation et visible à l'oeil nu.A covering problem is understood to mean a lack of coverage of the undercoat or the first deposit layer, i.e. areas of the first layer not covered by the oxalation layer and visible to the naked eye.
Selon un mode de réalisation, l'élément fileté tubulaire a une seconde couche de conversion de type oxalatation qui peut comprendre de l'oxalate de nickel et/ou de l'oxalate de zinc.According to one embodiment, the tubular threaded element has a second oxalation-type conversion layer which may comprise nickel oxalate and/or zinc oxalate.
Grâce à cette caractéristique, l'oxalate de nickel et l'oxalate de zinc permet de retarder le contact métal/métal et d'emmagasiner une partie de la dissipation d'énergie émis pendant le vissage de la connexion. De manière surprenante, il a été constaté que l'apport d'un oxalate de nickel permet d'améliorer la tenue en anti-corrosion de la couche de conversion.Thanks to this characteristic, nickel oxalate and zinc oxalate can delay metal-to-metal contact and store part of the energy dissipation emitted during the screwing of the connection. Surprisingly, it has been found that the addition of nickel oxalate improves the anti-corrosion performance of the conversion layer.
Selon un mode de réalisation, l'élément fileté tubulaire a une seconde couche de conversion de type oxalatation pouvant comprendre 10 à 20 % de carbone, 35% à 50 % de zinc et 35 à 45 % d'oxygène, 0% à 35% de nickel.According to one embodiment, the tubular threaded element has a second oxalation type conversion layer which may comprise 10 to 20% carbon, 35% to 50% zinc and 35 to 45% oxygen, 0% to 35% nickel.
Grâce à cette caractéristique, de manière surprenante il a été déterminé par la demanderesse que la couche d'oxalatation confère une meilleure tenue du matériau au revêtement multicouche.Thanks to this characteristic, surprisingly it was determined by the applicant that the oxalation layer gives better material resistance to the multi-layer coating.
Selon un mode de réalisation, le poids de couche de la seconde couche peut être comprise entre 0,1g/m2 et 20g/m2.According to one embodiment, the layer weight of the second layer may be between 0.1g/m 2 and 20g/m 2 .
Grâce à cette caractéristique, il a été déterminé que l'endurance est proportionnelle au poids de couche, plus le poids de couche est grand plus on a de l'endurance.Thanks to this characteristic, it has been determined that endurance is proportional to the weight of the layer, the greater the weight of the layer, the more endurance one has.
En revanche lorsque le poids de couche dépasse un certain seuil, on se retrouve avec des problèmes de rupture cohésive dans la couche d'oxalatation. La couche finit par se briser d'elle-même lorsque soumise à des contraintes extérieures. Par conséquent, on aura des risques de délamination et d'écaillage à la fois pour la couche d'oxalatation qui entrainera avec elle la délamination de la troisième couche.On the other hand, when the layer weight exceeds a certain threshold, we end up with cohesive failure problems in the oxalation layer. The layer ends up breaking on its own when subjected to external stresses. Consequently, there will be risks of delamination and flaking for both the oxalation layer, which will lead to delamination of the third layer.
Selon un mode de réalisation la masse surfacique de la seconde couche peut être comprise entre 0,5g/m2 et 10g/m2. La demanderesse a déterminé que jusqu'à 10 g/m2 on a un meilleur compromis entre bonne endurance et risque amoindri de rupture cohésive.According to one embodiment, the surface mass of the second layer may be between 0.5g/m 2 and 10g/m 2 . The applicant has determined that up to 10 g/m 2 we have a better compromise between good endurance and reduced risk of cohesive rupture.
Selon un mode de réalisation, la porosité de la seconde couche peut être comprise entre 5% et 35%.According to one embodiment, the porosity of the second layer may be between 5% and 35%.
Selon un mode de réalisation, la porosité de la seconde couche peut être comprise entre 10% et 25%.According to one embodiment, the porosity of the second layer may be between 10% and 25%.
Grâce à cette caractéristique, la porosité permet d'améliorer la rétention et le revêtement de la couche supérieure grâce à un phénomène d'ancrage de la couche supérieure dans les espaces vides de la couche d'oxalatation.Thanks to this characteristic, the porosity allows to improve the retention and the coating of the upper layer thanks to a phenomenon of anchoring of the upper layer in the empty spaces of the oxalation layer.
Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la seconde couche peut être comprise entre 0,5µm et 30 µm.According to one embodiment, the thickness of the second layer may be between 0.5 µm and 30 µm.
Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la seconde couche peut être comprise entre 1 µm et 20 µm.According to one embodiment, the thickness of the second layer may be between 1 µm and 20 µm.
Grâce à cette caractéristique, la tenue du matériau du revêtement multicouche est améliorée. Lorsque l'épaisseur de la couche dépasse 30 µm des problèmes de rupture cohésive peuvent apparaître. Une couche inférieure à 0,5 µm peut être insuffisante et poser des problèmes de lubrification insuffisante.This feature improves the resistance of the multi-layer coating material. When the layer thickness exceeds 30 µm, cohesive failure problems may occur. A layer less than 0.5 µm may be insufficient and cause problems with insufficient lubrication.
Selon un mode de réalisation, la seconde couche peut comprendre une texture de type polyèdres microfissurés avec des arrêtes de 1 µm à 30 µm de largeur.According to one embodiment, the second layer may comprise a microcracked polyhedron type texture with edges from 1 µm to 30 µm in width.
On entend par polyèdre microfissurés, une forme géométrique en 3 dimensions ayant des faces planes polygonales qui se regroupent selon des segments appelés arrêtes. Le nombre de faces et d'arrêtes est aléatoire, la longueur des arrêtes peut aller de 0,5µm à 30µm. La couche peut présenter des microfissures réparties de façon aléatoire. La largeur des fissures peut aller de 0,05 µm à 1 µm de large.A microcracked polyhedron is a 3-dimensional geometric shape with polygonal plane faces that are grouped into segments called edges. The number of faces and edges is random, and the edge length can range from 0.5 µm to 30 µm. The layer may have randomly distributed microcracks. The crack width can range from 0.05 µm to 1 µm wide.
Grâce à cette caractéristique, une texture de type polyèdres microfissurés confère à la couche supérieure une capacité améliorée de rétention et d'accroche à la couche d'oxalatation.Thanks to this feature, a micro-cracked polyhedron type texture gives the upper layer an improved capacity for retention and adhesion to the oxalation layer.
Selon un mode de réalisation, l'invention est aussi un procédé de fabrication d'un élément fileté tubulaire comprenant les étapes suivantes :
- Une étape d'électrodéposition d'une couche de zinc-nickel sur une surface métallique d'une extrémité filetée
- Une étape de conversion de type oxalatation par immersion
- Une étape de recouvrement par une couche lubrifiante comprenant une matrice polyuréthane ou époxy chargée en particules solides lubrifiantes
- A step of electroplating a zinc-nickel layer onto a metal surface of a threaded end
- An oxalation-type conversion step by immersion
- A step of covering with a lubricating layer comprising a polyurethane or epoxy matrix loaded with lubricating solid particles
Grâce à cette caractéristique, la réalisation du revêtement se fait sans altération visible de la couche de Zinc-nickel.Thanks to this characteristic, the coating is produced without visible alteration of the Zinc-nickel layer.
On entend par immersion, une technique de traitement en immergeant la surface dans un bain d'oxalatation.Immersion is a treatment technique involving immersing the surface in an oxalation bath.
Selon un mode de réalisation, l'étape de conversion de type oxalatation peut être réalisée à une température comprise entre 25°C et 90°C.According to one embodiment, the oxalation type conversion step can be carried out at a temperature between 25°C and 90°C.
Grâce à cette caractéristique, il est possible d'utiliser les mêmes outils que ceux de la passivation, moins couteux à mettre en place et en matériau.Thanks to this feature, it is possible to use the same tools as those for passivation, less expensive to set up and in material.
Selon un mode de réalisation, l'étape de conversion de type oxalatation peut comprendre l'utilisation d'un acide oxalique et la concentration dudit acide oxalique peut être comprise entre 1 g/L et 75 g/L.According to one embodiment, the oxalation type conversion step may comprise the use of an oxalic acid and the concentration of said oxalic acid may be between 1 g/L and 75 g/L.
Grace à cette caractéristique, on a une meilleure gestion et pilotage du poids de couche de la couche d'oxalatation. En effet, la réaction de conversion de surface est d'autant plus rapide que l'on se rapproche de 75 g/L.This feature allows for better management and control of the oxalation layer weight. Indeed, the surface conversion reaction is faster as it approaches 75 g/L.
Selon un mode de réalisation, l'étape de conversion de type oxalatation peut comprendre l'utilisation d'un acide oxalique associé à un additif choisi parmi un élément nitrate, chlorure, thiocyanate, ou thiosulfate ou plusieurs additifs en combinaison.According to one embodiment, the oxalation type conversion step may comprise the use of an oxalic acid associated with an additive chosen from a nitrate, chloride, thiocyanate, or thiosulfate element or several additives in combination.
Grâce à cette caractéristique, un additif permet d'accélérer la réaction de conversion de surface, et ainsi d'arriver plus rapidement aux caractéristiques de poids de couche souhaité.Thanks to this characteristic, an additive makes it possible to accelerate the surface conversion reaction, and thus to arrive more quickly at the desired layer weight characteristics.
Le procédé de dépôt de la couche d'oxalatation peut être réalisé sur une fourchette de temps entre 30 secondes et 15 minutes. En effet, le temps a une influence sur la valeur de poids de couche. Ladite valeur est proportionnelle au temps d'immersion.The oxalation layer deposition process can be carried out over a time range of 30 seconds to 15 minutes. Indeed, time has an influence on the layer weight value. This value is proportional to the immersion time.
En dessous de 30 secondes le poids de couche sera insuffisant. Au-dessus de 15 minutes il n'y a plus d'évolution significative de la valeur de poids de couche.Below 30 seconds the layer weight will be insufficient. Above 15 minutes there is no significant change in the layer weight value.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.The invention will be better understood, and other objects, details, characteristics and advantages thereof will appear more clearly during the following description of several particular embodiments of the invention, given solely for illustrative and non-limiting purposes, with reference to the accompanying drawings.
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Dans la suite de la description, les termes « longitudinal », « transversal », « vertical », « avant », « arrière », « gauche » et « droit » sont définis selon un repère orthogonal usuel tel que représenté sur les dessins, qui comprend :In the remainder of the description, the terms "longitudinal", "transverse", "vertical", "front", "rear", "left" and "right" are defined according to a usual orthogonal reference as shown in the drawings, which includes:
Un axe longitudinal X, horizontal et de gauche à droite des vues de coupe ;A longitudinal X axis, horizontal and from left to right of the sectional views;
Par ailleurs, dans la description et les revendications, les termes « extérieur » ou « intérieur » et les orientations « axial » et « radial » seront utilisés pour désigner, selon les définitions données dans la description, des éléments du joint fileté tubulaire. L'axe longitudinal X détermine l'orientation "axiale". L'orientation "radiale" est dirigée orthogonalement à l'axe longitudinal X.Furthermore, in the description and claims, the terms "external" or "internal" and the orientations "axial" and "radial" will be used to designate, according to the definitions given in the description, elements of the tubular threaded connection. The longitudinal axis X determines the "axial" orientation. The "radial" orientation is directed orthogonally to the longitudinal axis X.
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Chacune des extrémités filetées mâle (3) et femelle (4) sont constituées par un substrat métallique (20) et un revêtement multicouche (10) sur ce substrat métallique (20).Each of the male (3) and female (4) threaded ends are constituted by a metal substrate (20) and a multi-layer coating (10) on this metal substrate (20).
Les éléments filetés tubulaires (1, 2) sont représentés à l'état vissé mais l'invention n'exclut pas qu'ils peuvent se présenter à l'état unitaire non vissé.The tubular threaded elements (1, 2) are shown in the screwed state but the invention does not exclude that they may be in the unitary, unscrewed state.
Le revêtement multicouche (10) peut être sur l'une ou l'autre des extrémités filetées mâle (3) et femelle (4) ou encore sur les deux à la fois. En particulier ledit revêtement multicouche (10) peut être sur une surface de butée mâle (6) ou femelle (7), sur une surface d'étanchéité mâle (8) ou femelle (9), ou encore sur une portion filetée mâle (14) femelle (15), sur plusieurs de ces surfaces ou toutes ces surfaces. Concernant la
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En particulier, la figure montre le revêtement multicouche (10) comprenant une première couche (11) d'un revêtement solide comprenant du Zinc-Nickel électrodéposé sur la surface de l'extrémité filetée mâle (3), c'est-à-dire sur le substrat métallique (20) qui constitue ladite extrémité filetée mâle (3).In particular, the figure shows the multi-layer coating (10) comprising a first layer (11) of a solid coating comprising Zinc-Nickel electrodeposited on the surface of the male threaded end (3), i.e. on the metal substrate (20) which constitutes said male threaded end (3).
Ledit revêtement multicouche (10) comprend une seconde couche (12) de conversion de type oxalatation au-dessus de la première couche (11).Said multilayer coating (10) comprises a second oxalation-type conversion layer (12) above the first layer (11).
La seconde couche de conversion (12) de type oxalatation peut comprendre de l'oxalate de nickel et/ou de l'oxalate de zinc (non visible sur la figure). Ces deux éléments peuvent provenir de la couche d'oxalatation, par réaction entre l'acide oxalique et la couche de Zinc-nickel.The second conversion layer (12) of the oxalation type may comprise nickel oxalate and/or zinc oxalate (not visible in the figure). These two elements may come from the oxalation layer, by reaction between the oxalic acid and the Zinc-nickel layer.
Enfin une troisième couche (13) lubrifiante comprenant une matrice polyuréthane ou époxy chargée en particules solides lubrifiantes est déposée au-dessus de la seconde couche (12). Les particules solides lubrifiantes sont sélectionnées, de manière non limitative, parmi le PTFE, du talc, oxyde de chrome, alumine.Finally, a third lubricating layer (13) comprising a polyurethane or epoxy matrix loaded with lubricating solid particles is deposited above the second layer (12). The lubricating solid particles are selected, in a non-limiting manner, from PTFE, talc, chromium oxide, alumina.
Avantageusement, la première couche (11) de dépôt solide comprenant du zinc-nickel confère des propriétés lubrifiantes améliorées, dont les effets sont préservés de la délamination, du lignage et du grippage. En effet, la seconde couche d'oxalatation agit sur la première couche comme un lubrifiant solide. Cette dernière permet de conférer à la première couche de dépôt solide (11) comprenant du Zn-Ni d'avoir un coefficient de friction beaucoup plus stable et durable. Ledit coefficient de friction étant inférieur à 0.2. En effet, au-delà de 0.2 il y a un risque de grippage.Advantageously, the first layer (11) of solid deposit comprising zinc-nickel provides improved lubricating properties, the effects of which are protected from delamination, lineage and seizure. Indeed, the second oxalation layer acts on the first layer as a solid lubricant. The latter makes it possible to give the first layer of solid deposit (11) comprising Zn-Ni a much more stable and durable coefficient of friction. Said coefficient of friction being less than 0.2. Indeed, beyond 0.2 there is a risk of seizure.
La demanderesse a en effet démontré par comparaison qu'on ne retrouvait pas cette stabilité et cette durabilité avec une couche de passivation (voir
Par ailleurs, l'utilisation d'acide oxalique est moins contraignante au regard de la réglementation en vigueur et n'est pas classée CMR, c'est-à-dire n'est pas cancérogène, mutagène ou reprotoxique.Furthermore, the use of oxalic acid is less restrictive with regard to current regulations and is not classified as CMR, i.e. it is not carcinogenic, mutagenic or reprotoxic.
Avantageusement, la seconde couche d'oxalatation (12) comprend de l'oxalate de nickel et l'oxalate de zinc et permet de retarder le contact métal/métal et d'emmagasiner une partie de la dissipation d'énergie émise pendant le vissage de la connexion.Advantageously, the second oxalation layer (12) comprises nickel oxalate and zinc oxalate and makes it possible to delay the metal/metal contact and to store part of the energy dissipation emitted during the screwing of the connection.
En effet, lors de l'écrasement du revêtement (10) sous l'action du vissage des extrémités filetées, les surfaces fonctionnelles des extrémités viennent en contact avec de très fortes pressions de contact. La seconde couche (12) va s'écraser en premier en subissant les effets de contraintes et de pressions avant la première couche (11) solide ce qui préserve ladite première couche (11) et améliore l'endurance globale du revêtement (10). De plus de manière surprenante, il a été constaté que l'apport d'un oxalate de nickel permet d'améliorer la tenue en anti-corrosion de la couche de conversion.Indeed, when the coating (10) is crushed under the action of screwing the threaded ends, the functional surfaces of the ends come into contact with very high contact pressures. The second layer (12) will be crushed first, undergoing the effects of stresses and pressures before the first solid layer (11), which preserves said first layer (11) and improves the overall endurance of the coating (10). Moreover, surprisingly, it has been found that the addition of a nickel oxalate makes it possible to improve the anti-corrosion resistance of the conversion layer.
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Une méthode utilisée pour s'assurer que les connexions sont assemblées correctement et déterminer le moment de fin de vissage consiste à surveiller le couple appliqué par une pince de serrage par rapport au nombre de tours. On entend par pince de serrage une clé autobloquante de grande capacité utilisée pour saisir les composants mâle et femelle de la connexion et appliquer un couple de serrage/desserrage. En connectant un ordinateur à la cellule de charge sur la pince et un compteur de tours électronique, un graphique peut être tracé montrant le couple sur l'axe vertical et le nombre de tour sur l'axe horizontal. En collectant chacune des fins de vissages effectués, on peut retracer un nouveau graphique tel que représenté par la
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Toutes les connexions utilisées dans cette
Chaque courbe représente un revêtement comprenant une première couche de zinc-nickel électrodéposé, ainsi que d'une seconde couche de conversion de type passivation ou de type oxalatation selon l'invention et une troisième couche lubrifiante. On ne fait donc varier que la nature de la seconde couche de conversion d'une courbe à l'autre.Each curve represents a coating comprising a first layer of electroplated zinc-nickel, as well as a second conversion layer of passivation or oxalation type according to the invention and a third lubricating layer. Therefore, only the nature of the second conversion layer varies from one curve to another.
La courbe 1 et 2 représentent un revêtement comprenant une couche de passivation au chrome III. La présence de deux courbes correspond à deux tests de vissage avec un revêtement identique.
La courbe 3 et 4 représentent un revêtement comprenant une couche d'oxalatation pour laquelle on a utilisé un accélérateur au nitrate de fer durant la déposition de la couche. La présence de deux courbes correspond à deux tests de vissage avec un revêtement identique.
La courbe 5 et 6 représentent un revêtement comprenant une couche d'oxalatation sans accélérateur. La présence de deux courbes correspond à deux tests de vissage avec un revêtement identique.
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De plus il a été constaté pour les revêtements de la courbe 1 et 2, au fur et à mesure des tours de vissages/dévissages, l'apparition de grippage, de lignage au niveau des fonds de filets, du sommet de filets et la portée du filetage, et donc un endommagement de la couche de Zinc-nickel électrodéposé.In addition, for the coatings of
En ce qui concerne les revêtements de type oxalatation, il a été constaté par la demanderesse aucune forme de grippage, une absence d'endommagement de la première couche de zinc-nickel et la formation d'un tribofilm qui confère des effets de barrière isolante à l'ensemble du revêtement multicouche.With regard to the oxalation type coatings, the applicant noted no form of seizure, no damage to the first zinc-nickel layer and the formation of a tribofilm which gives insulating barrier effects to the entire multi-layer coating.
Les résultats de l'analyse comparative ne sont pas limités et demeurent valables pour tout type de tubes dans le domaine du pétrole et gaz, de l'énergie ou le stockage, pour une utilisation tel que l'exploitation de puits ou le transport d'hydrocarbures, le transport ou le stockage d'hydrogène, la géothermie ou la capture de carbone.The results of the comparative analysis are not limited and remain valid for any type of tubes in the field of oil and gas, energy or storage, for use such as well operation or transport of hydrocarbons, transport or storage of hydrogen, geothermal energy or carbon capture.
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Les courbes 1, 2 et 3 correspondent à des extrémités filetées revêtues d'un revêtement comprenant une seconde couche de type passivation. Le revêtement se trouve sur l'ensemble de l'extrémité filetée, à savoir le filetage ou une portion filetée, la surface de butée et la portée d'étanchéité. Il y a 3 courbes car elles correspondent au nombre de test réalisé avec le même revêtement. Les courbes 4 et 5 correspondent à des extrémités filetées avec un revêtement multicouche selon l'invention comprenant une seconde couche de type oxalatation.
L'analyse comparative et les résultats qui en découlent sont similaires à ceux développés pour la
Les courbes 1, 2, 3 montrent un accroissement du couple dès le deuxième vissage/dévissage. La courbe 1 montre une impossibilité de faire un cinquième vissage /dévissage pour le joint correspondant pour cause de grippage, alors que les courbes 4 et 5 montrent une stabilité du couple pour tous les vissages/dévissages
La demanderesse démontre que les conclusions des effets supérieurs en stabilité et en fiabilité de l'oxalatation selon l'invention par rapport à la passivation ne sont pas limitées au seul VAM ® SLIJ-II et peuvent donc être transposables d'un type de connexion à un autre.The applicant demonstrates that the conclusions of the superior effects in stability and reliability of oxalation according to the invention compared to passivation are not limited to VAM ® SLIJ-II alone and can therefore be transposed from one type of connection to another.
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Chaque échantillon testé a un revêtement qui comprend à l'identique au moins une première couche de Zn-Ni et une couche de lubrifiant, la variable entre les échantillons est la présence et/ou la nature seconde couche.Each tested sample has a coating that identically comprises at least a first layer of Zn-Ni and a layer of lubricant, the variable between the samples is the presence and/or nature of the second layer.
On retrouve une comparaison de 3 types de revêtements, à savoir un revêtement sans couche de conversion, c'est-à-dire ni passivation ni oxalatation, le poids de couche sera donc de 0 g/m2 (représenté par un carré sur le graphique). Un revêtement avec une seconde couche de type passivation avec deux exemples de poids de couche fixé respectivement à 0,1 g/m2 et 0,15 g/m2 (représenté par un cercle sur le graphique). En effet, pour la passivation, il est difficile voire impossible de retrouver des valeurs de poids de couche supérieures à 0,2 g/m2. Enfin un revêtement multicouche selon l'invention avec une seconde couche de type oxalatation (représenté par un triangle sur le graphique), de nombreux tests ont été réalisé avec ce type de revêtement avec différentes valeurs de poids de couche.We find a comparison of 3 types of coatings, namely a coating without conversion layer, that is to say neither passivation nor oxalatation, the layer weight will therefore be 0 g/m 2 (represented by a square on the graph). A coating with a second layer of passivation type with two examples of layer weight fixed respectively at 0.1 g/m 2 and 0.15 g/m 2 (represented by a circle on the graph). Indeed, for passivation, it is difficult or even impossible to find layer weight values greater than 0.2 g/m 2 . Finally a multilayer coating according to the invention with a second layer of oxalatation type (represented by a triangle on the graph), numerous tests have been carried out with this type of coating with different layer weight values.
Lorsque deux pièces mobiles rugueuses sont en contact, un mécanisme d'usure peut conduire à un retrait du matériau avec génération de débris qui est la conséquence d'une déformation plastique. La valeur du coefficient de frottement dépend de la composition et de la structure de la surface, de sa rugosité et de ses propriétés mécaniques telles que la plasticité, la ductilité et la résistance superficielle aux contraintes de cisaillement. Dans le cas d'un revêtement sur une connexion, la valeur d'un coefficient de friction doit être inférieur à 0.2. En effet, au-delà de 0.2 il y a un risque de grippage.When two rough moving parts are in contact, a wear mechanism can lead to material removal with generation of debris which is the consequence of plastic deformation. The value of the coefficient of friction depends on the composition and structure of the surface, its roughness and its mechanical properties such as plasticity, ductility and surface resistance to shear stresses. In the case of a coating on a connection, the value of a coefficient of friction must be less than 0.2. Indeed, beyond 0.2 there is a risk of seizure.
Afin d'évaluer les propriétés lubrifiantes (coefficient de friction) de la surface du revêtement, un testeur de friction Bowden disponible dans le commerce (Shinko Engineering Co., Ltd.) a été utilisé. Dans le testeur de friction Bowden, une bille en acier (100CR6) a été déplacée d'avant en arrière en ligne droite sur un revêtement formé sur une tôle d'acier tandis qu'une charge était appliquée à la bille. Le coefficient de frottement a été mesuré à partir de la force de frottement et de la charge de pression à ce moment-là.In order to evaluate the lubricating properties (coefficient of friction) of the coating surface, a commercially available Bowden friction tester (Shinko Engineering Co., Ltd.) was used. In the Bowden friction tester, a ball made of steel (100CR6) was moved back and forth in a straight line on a coating formed on a steel sheet while a load was applied to the ball. The coefficient of friction was measured from the friction force and the pressure load at that time.
Une bille d'acier disponible dans le commerce en acier (100CR6) avec un diamètre extérieur de 10 mm (Amatsuji Steel Ball Manufacturing Co., Ltd.) préalablement dégraissée est utilisée comme bille d'acier dans le test de frottement Bowden.A commercially available steel ball made of steel (100CR6) with an outer diameter of 10 mm (Amatsuji Steel Ball Manufacturing Co., Ltd.) previously degreased is used as the steel ball in the Bowden friction test.
La bille en acier est appliquée sur les revêtements évalués et déplacée avec une charge de pressage de 300 N.The steel ball is applied to the evaluated coatings and moved with a pressing load of 300 N.
La
Le revêtement avec passivation confère une lubrification sensiblement supérieure à celle d'une couche sans conversion et permet d'atteindre le seul critique de 0,2 de coefficient de friction à environ 200 étapes.The coating with passivation provides significantly better lubrication than a non-converted layer and achieves the critical 0.2 coefficient of friction at about 200 steps.
Le revêtement avec oxalatation confère une lubrification supérieure aux deux types de revêtements précédent avec une atteinte du seuil critique de 0,2 de coefficient de friction entre 400 et 600 étapes suivant la valeur du poids de couche. L'oxalatation permet donc de conférer à la couche de dépôt solide comprenant du Zn-Ni d'avoir un coefficient de friction beaucoup plus stable et durable.The oxalation coating provides superior lubrication to the two previous types of coatings, reaching the critical threshold of 0.2 of friction coefficient between 400 and 600 steps depending on the value of the layer weight. Oxalation therefore allows the solid deposit layer comprising Zn-Ni to have a much more stable and durable friction coefficient.
En effet, la demanderesse a déterminé que la couche d'oxalate améliore précisément la déformation plastique du ZnNi sur sa surface même sous une pression de contact élevé améliorant la dislocation atomique, la rotation des grains et la stabilité du système avant l'écaillement de gros blocs et l'apparition de défauts à grande échelle.Indeed, the applicant determined that the oxalate layer precisely enhances the plastic deformation of ZnNi on its surface even under high contact pressure improving atomic dislocation, grain rotation and system stability before the flaking of large blocks and the appearance of large-scale defects.
Il a été observé que, même avec un poids de couche inférieur, les couches d'oxalate produisent un film lubrifiant plus durable, améliorant chimiquement ou physiquement l'efficacité de la lubrification.It has been observed that even with lower layer weight, oxalate layers produce a longer lasting lubricating film, chemically or physically improving lubrication efficiency.
Selon une variante de l'invention, le poids de couche de la seconde couche (12) est compris entre 0,1g/m2 et 20g/m2.According to a variant of the invention, the layer weight of the second layer (12) is between 0.1g/m 2 and 20g/m 2 .
Selon une autre variante de l'invention, le poids de couche de la seconde couche (12) est compris entre 0,5g/m2 et 10g/m2.According to another variant of the invention, the layer weight of the second layer (12) is between 0.5g/m 2 and 10g/m 2 .
Avantageusement, il a été déterminé que l'endurance est proportionnelle au poids de couche, plus le poids de couche est grand plus on a de l'endurance.Advantageously, it has been determined that endurance is proportional to layer weight, the greater the layer weight the more endurance one has.
En revanche lorsque le poids de couche dépasse un certain seuil, on se retrouve avec des problèmes de rupture cohésive dans la couche d'oxalatation. La couche finit par se briser d'elle-même lorsque soumise à des contraintes extérieures. Par conséquent, on aura des risques de délamination et d'écaillage pour la couche d'oxalatation qui entrainera avec elle la délamination de la troisième couche lubrifiante. La demanderesse a déterminé que lorsque jusqu'à 10 g/m2 on a un meilleur compromis entre une bonne endurance et un risque amoindri de rupture cohésive.On the other hand, when the layer weight exceeds a certain threshold, we end up with problems of cohesive failure in the oxalation layer. The layer ends up break by itself when subjected to external stresses. Consequently, there will be risks of delamination and flaking for the oxalation layer which will lead to delamination of the third lubricating layer. The applicant has determined that when up to 10 g/m 2 there is a better compromise between good endurance and a reduced risk of cohesive failure.
La
Le revêtement multicouche (10) comprend une première couche (11) d'un revêtement solide comprenant du Zinc-Nickel électrodéposé. Ledit revêtement comprend également une couche de conversion de type oxalatation 12. La troisième couche lubrifiante comprenant une matrice polyuréthane ou époxy chargée en particules solides lubrifiantes n'est pas observable en l'état, et une résine d'enrobage (22) en plastique est employé pour la préparation de l'échantillon pour l'observation métallographique. Cette résine (22) n'a d'utilité que pour l'obtention de l'image de la
La
Le revêtement multicouche (100) comprend une première couche (101) d'un revêtement solide comprenant du Zinc-Nickel électrodéposé. Ledit revêtement comprend également une couche de conversion de type passivation (102). La troisième couche lubrifiante comprenant une matrice polyuréthane ou époxy chargée en particules solides lubrifiantes n'est pas observable en l'état, et une résine d'enrobage (22) en plastique est employé pour la préparation de l'échantillon pour l'observation métallographique. Cette résine (22) n'a d'utilité que pour l'obtention de l'image de la
L'observation dans la
Par comparaison avec l'image de la
Cette différence d'observation est importante dans la mesure où elle garantit un minimum d'épaisseur pour l'oxalatation et qui demeure visible. Par comparaison, on ne retrouve pas cette visibilité avec la passivation de la
Une rupture cohésive est un effet indésirable qui peut dégrader voire éliminer l'effet de la seconde couche, la première couche de zinc-nickel devenant vulnérable à l'environnement et aux contraintes induites.Cohesive failure is an undesirable effect that can degrade or even eliminate the effect of the second layer, the first zinc-nickel layer becoming vulnerable to the environment and induced stresses.
En ce qui concerne les fissures (24) et autres craquements observés dans la couche de Zinc-Nickel sur la
Avantageusement, la demanderesse a également déterminé que l'épaisseur de la seconde couche d'oxalatation a un effet de type barrière isolante pour la première couche solide de Zinc-Nickel.Advantageously, the applicant has also determined that the thickness of the second oxalation layer has an insulating barrier type effect for the first solid Zinc-Nickel layer.
La
Selon une variante de l'invention, la seconde couche (12) peut être comprise entre 10% et 25%.According to a variant of the invention, the second layer (12) can be between 10% and 25%.
On entend par la porosité de la seconde couche, des espacements vides entre la base des cristaux, ces derniers pouvant recouvrir ladite porosité au niveau de leur hauteur. On parle également de porosité ouverte quand on a des fissures qui présentent un chemin direct entre la couche de Zinc-Nickel et la troisième couche comprenant une matrice polyuréthane ou époxy chargée en particules solides lubrifiantes.The porosity of the second layer is understood to mean empty spaces between the base of the crystals, the latter being able to cover said porosity at the level of their height. We also speak of open porosity when there are cracks which present a direct path between the Zinc-Nickel layer and the third layer comprising a polyurethane or epoxy matrix loaded with lubricating solid particles.
Avantageusement, la porosité permet d'améliorer la rétention de la couche supérieure du revêtement multicouche grâce à un phénomène d'ancrage mécanique de la couche supérieure dans les espaces vides de la couche d'oxalatation.Advantageously, the porosity makes it possible to improve the retention of the upper layer of the multi-layer coating thanks to a phenomenon of mechanical anchoring of the upper layer in the empty spaces of the oxalation layer.
Par comparaison avec la
La
On observe notamment que la surface de la couche est texturée par des polyèdres microfissurés (30).In particular, we observe that the surface of the layer is textured by microcracked polyhedra (30).
On entend par polyèdre microfissurés, une forme géométrique en 3 dimensions ayant des faces planes polygonales qui se regroupent selon des segments appelés arrêtes. Le nombre de faces et d'arrêtes est aléatoire, la longueur des arrêtes peut aller de 0,5 µm à 30 µm. La couche peut présenter des microfissures réparties de façon aléatoire. La largeur des fissures peut aller de 0,05 µm à 1 µm de large. Grâce à cette caractéristique, une texture de type polyèdres microfissurés confère une capacité de rétention et d'accroche à la couche d'oxalatation pour la couche supérieure.A microcracked polyhedron is a 3-dimensional geometric shape with polygonal plane faces that are grouped into segments called edges. The number of faces and edges is random, and the edge length can range from 0.5 µm to 30 µm. The layer may have randomly distributed microcracks. The crack width can range from 0.05 µm to 1 µm wide. Thanks to this characteristic, a microcracked polyhedron type texture provides retention and adhesion capacity to the oxalation layer for the upper layer.
Selon une variante de l'invention, la seconde couche (12) peut être réalisée avec un accélérateur qui a pour effet d'accentuer l'homogénéisation de l'oxalatation, et d'obtenir ainsi une couche plus fine et plus dense.According to a variant of the invention, the second layer (12) can be produced with an accelerator which has the effect of accentuating the homogenization of the oxalation, and thus obtaining a finer and denser layer.
La
Les développements de la
Claims (14)
- A tubular threaded element (1, 2) for the drilling, the operation of hydrocarbon wells, the transport of oil and gas, the transport or the storage of hydrogen, the carbon capture or the geothermal energy, comprising a metal body (5) and at least one threaded end (3, 4) comprising at least one threaded portion (14, 15), said threaded end (3, 4) comprising a multilayer coating (10) on at least one portion of the surface of the threaded end (3, 4) characterised in that said multilayer coating (10) comprises a first layer (11) comprising a solid coating comprising Zinc-Nickel electrodeposited on said at least one portion of the surface of the threaded end (3, 4), a second oxalation-type conversion layer (12) above the first layer (11), a third layer (13) comprising a polyurethane or epoxy matrix loaded with solid lubricant particles above the second layer (12).
- The tubular threaded element (1, 2) according to claim 1, characterised in that the second oxalation-type conversion layer (12) comprises nickel oxalate and/or zinc oxalate.
- The tubular threaded element (1, 2) according to any one of the preceding claims, characterised in that the second layer (12) has a layer weight per unit area comprised between 0.1g/m2 and 20g/ m2.
- The tubular threaded element (1, 2) according to claim 3, characterised in that the second layer (12) has a layer weight per unit area of the second layer (12) comprised between 0.5g/m2 and 10g/m2.
- The tubular threaded element (1, 2) according to any one of the preceding claims, characterised in that the second layer (12) has a porosity comprised between 5% and 35%.
- The tubular threaded element (1, 2) according to claim 5, characterised in that the porosity of the second layer (12) is comprised between 10% and 25%.
- The tubular threaded element (1, 2) according to any one of the preceding claims, characterised in that the second layer (12) has a thickness comprised between 0.5 µm and 30 µm.
- The tubular threaded element (1, 2) according to claim 7, characterised in that the thickness of the second layer (12) is comprised between 1 µm and 20 µm.
- The tubular threaded element (1, 2) according to any one of the preceding claims, characterised in that the second layer (12) comprises a microcracked polyhedron type texture with edges of 1 µm to 30 µm width.
- The tubular threaded element (1, 2) according to any one of the preceding claims, wherein the threaded end (3, 4) further comprises at least one stop surface (6, 7) and at least one sealing surface (8, 9), characterised in that the multilayer coating (10) covers said at least one stop surface (6, 7) and/or said at least one sealing surface (8, 9).
- A method for manufacturing a tubular threaded element (1, 2) according to one of claims 1 to 9, characterised in that it comprises:- A step of electrodepositing a zinc-nickel layer on a metal surface of a threaded end (3, 4)- An oxalation-type conversion step- A step of covering with a layer comprising a polyurethane or epoxy matrix loaded with solid lubricant particles.
- The method for manufacturing a tubular threaded element (1, 2) according to claim 11, characterised in that the oxalation-type conversion step is carried out at a temperature comprised between 25°C and 90°C,
- The method for manufacturing a tubular threaded element (1) according to any one of claims 11 to 12, characterised in that the oxalation-type conversion step comprises the use of an oxalic acid and that the concentration of said oxalic acid is comprised between 1 g/L and 75 g/L.
- The method for manufacturing a tubular threaded element (1, 2) according to any one of claims 11 to 13, characterised in that the oxalation-type conversion step comprises the use of an oxalic acid associated with an additive selected from a nitrate, chloride, thiocyanate or thiosulphate element or several additives in combination.
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